## PENGUAT KELAS D DENGAN METODE SUMMING INTEGRATOR

## Budihardja Murtianta
Jurusan Teknik Elektro, Universitas Kristen Satya Wacana Jl. Diponegoro 52-60, Salatiga, Indonesia 50711 e-mail: budihardja@yahoo.com

## ABSTRACT
A class D amplifier is  one in  which the output transistors are operated as switches. When  a transistor is off, the current through it is zero and when it is on, the voltage across it is small, ideally zero. Thus the power dissipation is very low, so it requires a smaller heat sink for the amplifier. Class D amplifier operation is based on analog principles and there is no digital encoding of the signal. Before the emergence of class D amplifiers, the standard classes were class A, class AB, class B, and class C. The classic method for generating signals driving a transistor MOSFET is to use a comparator. One input is driven by an incoming audio signal, and the other by a triangle  wave or a sawtooth wave at the required switching frequency. The frequency of a triangular or sawtooth wave must be higher than the audio input. MOSFET transistors work in a complementary manner that operates as a switch. Triangle waves are usually generated by square waves fed to the integrator circuit. So the main part of processing audio signals into PWM (Pulse Width Modulation) is the integrator and comparator. In this paper, we will discuss the work of a class D amplifier system using the summing integrator method as its main part.
Keywords : Integrator, Comparator, Summing, Switching

## ABSTRAK
Penguat kelas D adalah penguat dengan keluaran transistor yang dioperasikan sebagai sakelar. Saat transistor off, arusnya adalah nol dan ketika on  tegangan yang melintas kecil, idealnya nol. Dengan demikian disipasi daya sangat rendah, sehingga membutuhkan heat sink yang lebih kecil untuk amplifier. Operasi penguat kelas D didasarkan pada prinsip-prinsip analog dan tidak ada pengkodean digital dari sinyal. Sebelum munculnya penguat kelas D, kelas standar adalah kelas A, kelas AB, kelas B, dan kelas C.  Metode klasik untuk menghasilkan sinyal  pendorong/  penggerak  transistor  MOSFET  adalah  dengan menggunakan pembanding/ komparator. Satu input digerakkan oleh sinyal audio yang masuk, dan yang lain oleh gelombang segitiga atau gigi gergaji pada frekuensi switching yang diperlukan. Frekuensi gelombang segitiga atau gigi gergaji harus lebih tinggi daripada input audio. Transistor MOSFET berkerja secara komplementer yang beroperasi sebagai sakelar. Ge- lombang segitiga biasanya dihasilkan oleh gelombang kotak yang diumpankan pada untai integrator. Jadi bagian utama untuk memproses sinyal audio menjadi PWM (Pulse Width Modulation) adalah integrator dan komparator. Pada tulisan ini akan dibahas kerja sistem penguat kelas D menggunakan metode summing integrator sebagai bagian utamanya.
Kata Kunci : Integrator, Komparator, Summing, Switching

## I. P ENDAHULUAN
enguat  kelas  D  pada  dasarnya  terdiri  dari komparator yang masukannya berupa sinyal  au- dio  yang  dibandingkan  dengan  sinyal  segitiga. Keluaran  komparator  berupa  sinyal  termodulasi  lebar pulsa  yang    mendorong/  menggerakkan  transistor MOSFET dan beroperasi sebagai sakelar. Dasar sistem penguat kelas-D ditunjukkan pada Gambar 1 dan proses PWM diilustrasikan pada Gambar  2. Jelas gigi gergaji harus  linier,  yaitu,  dengan  kemiringan  konstan  untuk mencegah distorsi pada tahap ini [1]. Sinyal audio dan gelombang  gigi  gergaji    masuk  pada  pembanding  dan hasil pembandingan berupa sinyal PWM. Dalam hal ini tampak semakin tinggi amplitudo sinyal audio maka ba- gian high gelombang kotak semakin besar, sedang frek- uensi gelombang kotak tetap.
Gambar 1. Dasar penguat kelas D dengan komparator PWM, tahap akhir MOSFET dan tapis keluaran orde 2 [1]
Gambar 2. Proses PWM yang dihasilkan  oleh komparator [1]

## P
Gelombang  kotak  tersebut  diperkuat  dengan  di- umpankan  ke  MOSFET  yang  bekerja  sebagai  sakelar. Keluaran MOSFET yang berupa sinyal PWM berdaya besar  dilewatkan  tapis  pelewat  frekuensi  rendah  orde dua  untuk  menghilangkan  frekuensi  tinggi  dari  pen- sakelaran dan memperoleh frekuensi rendah dari sinyal audio. Pada tulis- an ini  bagian utama penguat kelas D menggunakan  metode summing integrator  sebagai  ba- gian  utamanya  dan  tidak  memerlukan  sumber  gelom- bang  segitiga,  tetapi  menggunakan  gelombang  kotak pada keluaran MOSFET yang dilewatkan rangkaian in- tegrator  untuk  menghasilkan  gelombang  segitiga  atau gigi gergaji.

## II. DASAR TEORI
A. Rangkaian Penjumlah ( Summing ) [2]
Gambar 3. Rangkaian Penjumlah
Besarnya tegangan keluaran dari rangkaian penjumlah adalah sebagai:
𝐸𝑜 =   −𝑅𝑓( 𝑒1 𝑅1 + 𝑒2 𝑅2 + 𝑒3 𝑅3 ) (1)
B. Rangkaian Integrator [2]

## Gambar 4. Rangkaian Integrator
Besarnya tegangan keluaran dari rangkaian integrator adalah sebagai:
𝐸𝑜 =   − 1 𝑅𝐶 ∫ 𝑒𝑖𝑛 𝑑𝑡
(2)
C. Rangkaian Summing Integrator  [3]
Gambar 5. Rangkaian Summing Integrator
Berdasarkan persamaan (1) dan (2) maka besarnya keluaran dari rangkaian summing integrator adalah:
∫ 𝑉𝑜 =   −1/𝐶 ∫ ( 𝑉1 𝑅1 + 𝑉2 𝑅2 + 𝑉3 𝑅3 )  𝑑𝑡 (3)

## D. Tapis Pelewat Frekuensi Rendah [4]
Gambar 6. Rangkaian Tapis Pelewat Frekuensi Rendah
Besarnya nilai induktansi L dalam satuan Henry dan dan kapasitansi C dalam satuan Farad  dengan beban resistansi R dalam satuan Ohm pada frekuensi kerja f c dalam satuan Hertz dinyatakan dengan rumus berikut:
𝐿 = 𝑅/2𝜋𝑓𝑐 (4)
𝐶 = 1/2𝜋𝑓𝑐𝑅 (5)

## 3. Rangkaian Penguat Kelas D
Penguat kelas D dengan metode summing integrator terdiri dari bagian summing, integrator, komparator dan penguat akhir transistor MOSFET. Pada Gambar 7 ada- lah  rangkaian summing integrator  dan  komparator  di- mana  cepis  TL074  sebelah  kiri  berfungsi  sebagai rangkaian penjumlah dan integrator. Masukan memba- lik  dari  penguat  operasi  tersebut  diberi  dua  buah  ma- sukan yaitu gelombang kotak dengan frekuensi 10 KHz dan  sinyal  audio  dengan  frekuensi  1  KHz.  Keluaran rangkaian summing integrator  diumpankan  pada  ma- sukan  tak  membalik  dari  rangkaian  komparator  agar menghasilkan  isyarat  PWM.  Keluaran  PWM  tersebut
diumpankan  ke  penguat  transistor  MOSFET  untuk  di- perbesar dayanya.
Gambar 7. Rangkaian Summing Integrator

## III. HASIL PENGUKURAN
A. Rangkaian Summing Integrator
Gambar 8. Bentuk Gelombang Keluaran Summing Integrator
Rangkaian summing integrator  diberi  masukan  ge- lombang kotak dengan amplitudo 5 Vpp dan frekuensi 10 KHz tanpa masukan sinyal audio, maka keluarannya berupa gelombang segitiga yang merupakan hasil inte- grasi  gelombang  kotak  tersebut  seperti  yang  terlihat pada Gambar 8.
Gambar 9. Bentuk Gelombang Keluaran Summing Integrator
Rangkaian summing integrator  diberi  masukan  ge- lombang sinus 0,5 Vpp dan frekuensi 1 KHz tanpa ma- sukan gelombang kotak, maka keluarannya berupa ge- lombang  cosinus  yang  merupakan  hasil  integrasi  ge- lombang sinus tersebut seperti yang terlihat pada Gam- bar 9.
Gambar 10. Bentuk Gelombang Keluaran Summing Integrator
Rangkaian summing integrator  diberi  masukan  ge- lombang kotak dengan amplitudo 5 Vpp dan frekuensi 10  KHz  dan  masukan  sinyal  audio  berupa  gelombang sinus  dengan  amplitude  2  Vpp  dan  frekuensi  1  KHz, maka keluarannya berupa gelombang segitiga yang ter- ganjal oleh aras isyarat sinus seperti yang terlihat pada Gambar 10. Jadi keluaran summing integrator tersebut merupakan hasil penjumlahan gelombang kotak dan ge- lombang sinus yang diintegrasi secara bersamaan.

## Gambar 11. Bentuk Gelombang Keluaran Komparator
Pada Gambar 11 adalah bentuk keluaran komparator dari  hasil  keluaran summing integrator  yang  di- umpankan  ke masukan   komparator dan dibandingkan dengan titik nol bumi. Tampak keluaran tersebut berupa isyarat PWM.

## B. Rangkaian Penguat Transistor MOSFET
Selanjutnya isyarat keluaran PWM tersebut akan di- perkuat dayanya dengan diumpankan ke penguat akhir berupa  penguat  transistor  MOSFET  dan  tapis  pelewat frekuensi rendah orde dua dan rangkaian dasarnya dapat dilihat pada Gambar 1. Pada realisasi penguat akhir ter- sebut dipergunakan pasangan MOSFET IRF9540N dan IRF540N. Untuk tapisnya dipergunakan induktansi L = 20uH dan kapasitansi C = 0,33uF, serta catu  tegangan +20V dan -20V. Beban R L adalah sama dengan imped- ansi penyuara sebesar 8 Ohm.
1kHz V4 -2/2V 10kHz V3 -5/5V C1 6nF + V2 10V + V1 10V + U2 TL074 + U1 TL074 R7 1k R6 2k2 R5 2k2 R4 10k R3 1k R2 100k R1 2k2
Gambar 12. Bentuk Gelombang Keluaran Transistor MOSFET
Pada  saat  melakukan  pengukuran  penguat  akhir  di- pergunakan  frekuensi  gelombang  segitiga  sebesar 166.67 KHz, sehingga tampak pada keluaran transistor MOSFET  seperti  pada  Gambar  12.  Pengaturan  osilos- kop  adalah  V/div  =  2V/div  dan  probe  =10x  serta Time/div = 1uS/div. Keluaran berupa gelombang kotak dengan amplitudo sebesar 20Vpp dan frekuensi 166,67 KHz. Dalam hal ini penguat tidak diberi masukan audio. Gelombang segitiga yang dipergunakan merupakan ge- lombang  kotak  pada  keluaran  yang  diumpankan  balik ke masukan rangkaian summing integrator.
Selanjutnya  jika  penguat  kelas  D  diberi  masukan sinyal audio berupa gelombang sinus dengan amplitudo 500 mVpp dan frekuensi 1 KHz, maka keluaran penguat akhir  setelah  melalui  tapis  pelewat  frekuensi  rendah adalah  seperti  pada  Gambar  13.  Pengaturan  osiloskop untuk kanal 1 adalah V/div = 0,5 V/div dan Time/div =1 mS/div, sedang untuk kanal 2 adalah V/div = 0,5 V/div dan probe = x10. Pada hasil pengukuran tampak besar amplitudo  sinyal  audio  pada  masukan  rangkaian sum- ming integrator  adalah 0,5 Vpp dan pada keluaran tapis pelewat frekuensi rendah adalah 15 Vpp. Pada keluaran setelah tapis tersebut tampak hanya sinyal audio dengan frekuensi 1 KHz, sedang gelombang kotak dengan frek- uensi  166,67  KHz  tidak  ada.  Hal  tersebut  disebabkan tapis pelewat frekensi rendah dengan nilai L, C dan R L yang  dipergunakan  akan  mempunyai  nilai  frekuensi penggal sekitar 60 KHz.
Gambar 13. Bentuk Gelombang Keluaran Tapis Pelewat Frekuensi Rendah

## IV. KESIMPULAN
1. Rangkaian summing integrator  dapat  langsung  me- manfaatkan isyarat PWM sebagai pengganti sumber gelombang  segitiga  atau  gigi  gergaji  dan  dengan proses penjumlahan, integrasi serta komparasi  akan diperoleh isyarat PWM.
2. Gelombang  kotak  yang  di  hasilkan  pada  penguat akhir  transistor  MOSFET  mempunyai  amplidudo yang mendekati sama dengan tegangan catunya.
3. Frekuensi gelombang segitiga atau gigi gergaji sama dengan  frekuensi  gelombang  kotak  karena  gelom- bang segitiga merupakan hasil integrasi dari gelom- bang kotak.
4. Titik penggal tapis pelewat frekuensi rendah  terletak di  antara  frekuensi  audio  dan  frekuensi  gelombang segitiga  karena  berfungsi  untuk  melewatkan  sinyal audio  dan membuang gelombang kotak.
5. Frekuensi penggal tapis tidak dibuat mendekati frek- uensi audio untuk menghindari nilai induktansi yang besar,  sehingga  frekuensi  gelombang  segitiga  yang dipergunakan relatip tinggi.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]  Douglas  Self MA, MSc, “Audio Power Amplifier Design  Handbook”,  Elsevier,  Burlington,  2006, edisi ke-4.
[2]  George Clayton & Steve Winder, “Operational Am- plifier”, Erlangga, Jakarta, 2005,edisi ke-5.
[3]  Basic Electronics Tutorials, “ Summing Integrator”, https://www.electronics-tutorial.net/analog-inte- grated-circuits/op-amp-integrator/summing-inte- grator/, diakses tanggal 21 Oktober 2019.
[4]  W.  Marshall  Leach,  Jr.,  “Introduction  to  Electroa- coustics  and  Audio  Amplifier  Design”  ,  Kendall/ Hunt Publishing Company, Dubuque, Iowa, 2003, edisi ke-3.